作者：张毅
本文以老石旦煤矿发生的井下火灾为研究背景，详细论述了火区的处治措施及火灾致因分析的理论基础及试验方法。
1 矿井概况
老石旦煤矿隶属于神华集团乌海能源有限责任公司，核定生产能力150万t／a，目前主采北三采区12#、16 #煤层。矿井防灭火系统以注氮防灭火为主、喷洒阻化剂为辅，并安装了束管监测系统，对易发火地点实时监测预报。2014年6月鉴定该矿12 #、16 #煤层均为Ⅱ类自燃煤层；12 #煤层、16 #煤层最短自然发火期分别为59 d、63 d。
老石旦煤矿031601工作面煤层为高硫煤，硫含量均值超过2%，煤层厚度8.5 m，走向长1370 m，倾斜长280 m，煤层倾角50～300，煤层赋存较稳定。采用走向长壁式全部垮落法综采放顶煤开采，0316 01工作面现已回采943 m，剩余427m。工作面通风方式为U型布置，运输巷进风风量为642 m3／min， 回风巷回风风量为662 m3／min。
2 综合防灭火技术现场应用及效果分析
2.1 综合防灭火技术现场应用
2015年4月16日．031601工作面发生火灾，事故发生后，封闭工作面、在井下对采空区注液氮、利用井下移动制氮机和地面制氮机向封闭火区注氮气、在地面填堵采空区上覆地表裂缝等综合防灭火安全技术措施对火区进行处治。
(1)封闭工作面。为防止火灾事故蔓延，在031601运输巷带式输送机机尾处（图1中A位置）和回风密闭墙处（图1中B位置）各施工一道密闭墙，见图1。为安全起见，又在回风巷原密闭墙前7m处施工第二道密闭墙，发火后24 h内完成所有密闭施工及喷浆工作，
(2)继续利用井下移动制氮机进行注氮防灭火。平时利用井下制氮机向031601采空区注氮气进行防灭火，此时利用井下制氮机从运输巷密闭处连续不断向火区注氮气进行惰化火区，截止5月6日，共注氮气26. 2616万m3。
(3)地面制氮机进行注氮防灭火。在地面工业广场安装注氮机，注氮设备采用地面DM移动式膜分离制氮机，通过注氮管路引入井下向031601采空区及回风巷施工钻孔注氮气进行防灭火工作。向采空区注氮共施工6个钻孔，共计447 m，其中1#钻孔77 m，2 #钻孔78 m，3#钻孔 75 m，4 #钻孔74 m，5 #钻孔70 m，6 #钻孔73 m，另外1 #、2#、3 #钻孔下套管成功（见图1）。截止5月6日为止共注氮气6. 6679万m3。
(4)注液氮防灭火。经研究决定从031601回风巷密闭墙处注液氮。老石旦煤矿用卡车从神华宁煤集团拉来25 t液氮（共一车）．交替向2个注液氮罐中注液氮（每个液氮罐能够装1 t液氮），然后通过16 #进风斜井向031601回风巷运送液氮罐，最后注液氮罐到达031601回风巷后开始向密闭墙中注液氮，截至4月22日共注液氮25 t，气化氮气20000rr13。031601回风巷注液氮示意如图2所示。注液氮具体步骤及注意事项如下：将装注液氮罐的平板车放平稳，固定好防止下滑和移动；将注液氮软管与注浆管连接好并打开注浆管上的阀门，然后将注液氮软管与注液氮管连接并打开注液氮管上阀门开始向密闭墙中注液氮；现场施工人员必须密切观察压力表的变化情况，当压力表显示的值低于0. 01 M Pa立即停止注液氮工作，去掉注液氮软管，将注液氮罐提升上井，再开始注另一罐液氮，如此往复不停地向密闭墙内注液氮，以达到防灭火的效果。
(5)地面填堵地表裂缝。发生火灾后，在采空区对应地表观察发现由于地震原因新出现了10条裂缝，最长裂缝达到130 m左右，最宽裂缝有0.5 m左右，为了防止地表大气继续从裂缝进入采空区引发次生灾害，经研究决定填堵上述裂缝，截至4月19日共填堵裂缝10条，用沙子15 t，有效地填堵了大气导人采空区的通道，防止大气通过裂缝进入到井下采空区。
2.2综合防灭火技术现场应用效果分析
从031601采空区着火以来，采取综合防灭火技术对火区进行了处治。采空区束管监测部分气体浓度变化曲线如图3所示。综合防灭火措施后封闭火区内的O2浓度从原来的17. 938%降到了2. 6085%，CO浓度从原来的0.0544%降到O，收到了良好的防灭火效果。
3老石旦煤矿井下火灾事故致因分析
3.1 采空区火灾事故致因分析
老石旦煤矿针对031601工作面采空区自燃原因进行了深入分析和探讨，认为采空区遗煤自燃和高分子材料引起煤炭自燃的可能性不大。
(1)煤炭自燃要经历潜伏、自热、燃烧、熄灭4个阶段，在煤的自热阶段，煤的氧化放热较大，煤温及其环境温度升高，并且产生CO、CO2和碳氢类气体产物，但是事实上直到4月16日上午10：30发现烟气之前工作面上隅角的CO监控探头、采空区埋设的束管监测系统测定的CO浓度都为O，且定期人工采集的气样、人工用CO鉴定器测定的CO浓度都为O，甚至出现烟气时人工测定上隅角的CO浓度仅为0.0004%，而且温度一直保持在180C，没有明显变化。
(2)在煤的自热和燃烧阶段煤会散发出煤油味和其他芳香气味，但直到4月16日上午10：30发现烟气之前工作面上隅角及回风巷均未闻到煤油味和其他芳香气味，发现烟气时现场人员也没有闻到上述气味。
(3)在煤的自热阶段有水蒸气生成，火源附近出现雾气，遇冷会在巷道壁面上凝结成水珠，即出现“挂汗”现象。但现场直到4月16日上午10；30发现烟气之前也未发现“挂汗”现象。
(4)高分子材料是阻燃材料，自身不发生自燃，一般在高分子材料和助化剂发生化学反应时产生热量，如果是采空区高分子材料产生热量引起的遗煤自燃，那么应表现出煤炭自燃的各种特征，这与实际情况不符。
3.2 F e S自燃引发火灾事故探讨
经过分析认为绝氧条件下生成的Fe S遇漏风通道中的空气发生自燃是采空区火灾的主要原因。
(1)老石旦煤矿16 #煤层为高硫煤，其中16-1#煤层含硫量2. 94%，16 -3#煤层含硫量1. 72%，16-4#煤层含硫量1.62%；在井下采空区、废弃巷道等地点会闻到一种具有臭鸡蛋气味的H2S气体。
(2) 031601工作面回风巷由于顶板压力大，大批金属棚、金属网等金属物品不能及时回收而遗留在采空区，在绝氧条件下，这些金属物品受水长期侵蚀作用与煤中硫化物结合形成Fe S，并放出热量Q，在窒息带内的绝氧条件下生成Fe S处于静止状态，其化学方程式如下：
(3)4月15日，阿拉善左旗发生5.8级地震，老石旦煤矿震感明显，031601工作面对应地表生成多个新的裂缝，最大裂缝宽度0.5 m，受采动和地震诱导因素影响，地面与本煤层采空区通过裂隙形成漏风通道，使采空区形成的Fe S具备了燃烧的条件，进而引燃了周边浮煤，导致031601工作面火灾事故。
(4) Fe S自燃的化学方程式如下：
由式(1)可以看出Fe S自燃生成氧化铁和硫，自始至终就没有碳的参与，因此也就不会产生CO、CO2和碳氢气体，也就不会闻到煤油味和其他芳香气味；另外由于Fe S自燃具有突然性的特征，因此前期是发现不到温度变化的，至于发现烟气2.5 h以后CO浓度上升到0.04%，是由于Fe S自燃引起周围遗留的煤炭自燃出现大量CO，这也与事实相符合。
3.3 Fe S自燃室内相似性模拟试验
通过室内试验模拟井下Fe S自燃过程，对煤矿井下火灾致因进行核实、验证，以便得出科学、合理的自然规律，为制订有效的安全技术措施提供理论依据，最大限度的保障矿山安全生产。实验室内Fe S自燃试验设计方案示意图见图4。
(1)试验材料。铁锈500 g，H2S气体1 L．N2气体2 L，O2气体1 L（注：氮气的分子量为28，空气的分子量为29，硫化氢气体的分子量为34，氧气的分子量为32）．200 ml的玻璃管3个，塞子若干，带刻度的注射器1个，带开关的导管1个，试管夹1个，支架两个。
(2)试验步骤。把铁锈50 g平铺在玻璃管内，两端塞上塞子；打开右端的导管开关，用注射器在玻璃管的左端注入N2直至充满玻璃管为止（考虑安全系数可以注入氮气大于500 ml以确保把玻璃管内的空气排干净，达到绝氧的环境），注完后关闭导管开关；停放一段时间后，打开导管开关，在玻璃管左端用注射器注入硫化氢气体直至注满为止（考虑安全系数可以注入硫化氢气体大于500 ml以确保把N2排干净），注完后关闭导管开关；为了确保铁锈跟H2S充分反应，观测时间不小于48 h；打开导管开关，用注射器在玻璃管的左端注入一定量的O2，观察玻璃管内的Fe S燃烧现象并做好记录。
(3)试验结果分析。铁锈和硫化氢气体反应时间53 h，Fe S与氧气反应时间2.5 h，试管的温度由32℃升高到226℃，Fe S颜色变暗，在温度为226℃时持续25 min发现明火，并产生烟气，气球开始膨胀，立即停止试验。试验结果证明：试管内Fe S处于无氧环境，不会与空气接触而发生氧化反应，但当往试管内注入O2后，Fe S与O2发生氧化反应，释放出大量的热量，由于局部温度升高，加速了周围Fe S的氧化，形成连锁反应。如果周围中存在碳、油等可燃物，则它们在Fe S的作用下，会迅速燃烧，放出更多的热量。
4 结论
(1)采取封闭工作面、利用井下移动制氮机和地面制氮机向封闭火区注氮气、在井下对采空区注液氮、在地表填堵采空区上覆地表裂缝等综合防灭火安全技术措施对火区进行了处治，有效地抑制了火区的扩展。
(2)通过综合防灭火措施后，031601封闭工作面内的O2浓度从原来的17. 938%降到了
2. 6085%，CO浓度从原来的0.0544%降到了O．收到良好的效果。
(3)经分析研究，提出阿拉善5.8级地震导致采空区与地表形成漏风通道，Fe S遇O2发生自燃进而引燃了周边浮煤或高分子材料，进而导致031601工作面火灾事故的结论。
(4)严禁废旧的锚杆、锚网、W钢带以及U型钢棚等金属制品不进行回收直接抛入采空区，并对井下金属材料进行防锈处理，从根本上杜绝Fe S的形成。
5摘 要 201 5年4月16日老石旦煤矿031601工作面发生井下火灾事故，根据井下火
灾现场实际情况，采取了封闭工作面、利用井下移动制氮机和地面制氮机向封闭火区注氮
气、在井下对采空区注液氮、在地面填堵采空区上覆地表裂缝等综合防灭火安全技术措施对火区进行处治，分析了发火原因。首次提出了煤矿井下Fe S自燃导致采空区遗煤燃烧从而致使井下火灾发生的论断。通过综合防灭火技术的应用，有效地治理了井下火灾，收到了良好的防灭火效果；根据Fe S自燃的论断提出了相应的安全处治措施。
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